03.05 四大基本作用力的主要区别是什么?

科学黑洞


四大基本作用力按照发现时间依次为:引力,电磁力,强力,弱力。主要区别简单地说有两点,一个是作用的对象不同,一个是传递的方式不同。

(1)作用对象不同:

引力之作用于有质量的粒子,注意这个质量不是静质量,而是动质量,就是E=Mc^2中的M,和能量等价。也就是说引力可以作用到一切有能量的物质,我们宇宙中一切物质都是有能量的,所以说引力作用到一切物质。

电磁力作用到一切有电荷的粒子,包括电子,夸克,以及它们组成的复合粒子,还有传递弱力的W粒子。暗物质就是因为没有电荷,不参与电磁力,所以不发光。

强力作用到一切有色荷的粒子,包括夸克和胶子。夸克通过强力组成质子和中子,剩余的强力使质子和中子组成原子核。胶子虽然是强力的传递者,但自身也可以通过强力凝聚一起组成胶子球。

弱力作用到一切有弱同位旋的粒子,导致粒子衰变。有趣的是弱力是唯一一个宇称不守恒的,只有左旋的电子(右旋的正电子),左旋的中微子(右旋的反中微子,如果中微子不是Majorana粒子),左旋的夸克之(右旋的反夸克)之间会产生弱力。

(2)传递方式不同

引力通过引力子传递(尽管量子引力理论一直没有实验证实),引力子和光子一样没有静质量,所以可以作用到无限远,按照平方反比定律衰减。引力强度非常弱,同样距离下只有电磁力的10^36分之一,也就是万亿亿亿亿分之一。引力子的自旋为2,是张量场。

电磁力通过光子传播,符合U(1)对称性。光子没有静质量,所以作用到无限远,按照平方反比定律衰减。虽然电磁力作用比引力强很多,但是引力可以靠质量积累变得强大,电磁力却因为电荷中和无法积累。光子的自旋为1,是矢量场。

强力通过胶子传播。之所以叫强力,是因为它在质子尺度上作用强度是电磁力的一百倍以上。但是强力符合SU(3)对称性(所以胶子有八种“色荷”),有“渐进自由”的特性,夸克靠的越近,强度反而下降,所以没有单独夸克。胶子自旋为1,是矢量场。

弱力通过W和Z玻色子传播,在质子尺度上作用强度是电磁力的万亿分之一。弱力符合SU(2)对称性。W和Z玻色子都是自旋为1的矢量场。弱力与电磁力在更高的能量上是统一的,合称“电弱相互作用”。在较低能量上,因为higgs机制,W和Z玻色子获得了静质量,弱力和电磁力分开。

种种迹象表明强力和电弱相互作用在更高能量上也应该是统一的,但是目前理论模型还没经过实验验证,还需要更大的对撞机和更长的时间,这很可能是高能物理实验的下一个突破点。


九维空间


答:作用距离和作用方式!


四种相互作用分别是:万有引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用。



四种基本力,在作用距离和作用强度上的比较,如下表:



其中,引力始终吸引;而电磁力同性相斥,异性相吸;这使得万有引力的作用范围极广,只要有足够的质量,引力就能继续增加。

电磁力的作用强度,虽然比引力强很多,而且作用范围也是无限的,但是存在排斥和吸引,在宏观尺度上,电磁力的很大部分相互抵消。


正是以上两点区别,使得四种相互作用,在不同的尺度下发挥作用。

(1)万有引力,在大尺度范围起决定性作用,尤其是天文学上;

(2)电磁力基本主宰着人类所处世界,在生活中,我们能遇到的除重力外几乎所有“力的作用”,本质上都是电磁力,比如:摩擦力、拉力、推力、粘力、弹力、应力等等;

(3)强力,使质子和中子结合到一起,构成原子核的力,质子带正电,把质子结合到一起需要克服很大的电磁力,而强力比电磁力强100倍,但是只有在原子核尺度上有效;

(4)弱力,与原子的衰变有关。




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艾伯史密斯


题主你好。四种基本相互作用的主要区别有几点可以考虑:

  • 作用距离与耦合常数


  • 规范对称性

  • 产生机制与作用对象

我所见过一些书籍或者资料,将这四种基本相互作用的区别归结为“作用距离”,比如说,强相互作用的作用距离为一飞米(飞米是10^(-15)米,下面会提到弱相互作用的作用距离,里面用到了阿米=10^(-18)米)。而引力相互作用和电磁相互作用的作用距离则是无穷大!其实这种解释很片面。作用距离仅仅是一方面的差异。

其次要考虑的是耦合常数。耦合常数是相互作用强度的反映。对于四种基本相互作用来说,它们的耦合常数都是随能量的改变而改变的。在现有能标下,引力耦合常数最弱,而强相互作用最强。以电磁相互作用为137分之一为标志,强相互作用耦合常数约为100,而引力相互作用是10^(-45)即十万亿亿亿亿亿分之一【数据来自于wikipedia】。剩下一个是弱相互作用。很多资料上写弱相互作用的耦合常数比电磁相互作用低多少多少个数量级。这种说法基本上是错误的,因为弱相互作用耦合常数是跑动的,当有效作用距离为一阿米时候,弱相互作用的耦合常数与电磁相互作用的耦合常数一致!但是有效作用距离提升到30阿米时候,弱相互作用比电磁相互作用弱一万倍!【数据来自于wikipedia和百度百科,二者数据一致。但是wikipedia注明了出处,百度百科没有注明出处。】

【注意:能标对耦合常数的影响很大。比如说强相互作用的耦合常数在高能标下会小于1,此时我们可以用高能物理学里面的量子色动力学去计算强相互作用的散射振幅,但是当能标很低的时候,耦合常数变大远大于1,此时高能物理那套办法就失效了。对应的则是低能物理学里面的量子色动力学——其难度远远超出高能物理学!另一个对能标变化有明显反应的是引力相互作用,当能标高到一定程度时候,引力耦合常数会提高几十个数量级!】

接着要说的是规范对称性,这是四种相互作用的根本性区别。四种基本相互作用的规范对称性截然不同!引力的规范对称性叫“微分同胚不变性”,电磁相互作用的规范对称性叫“U(1)规范不变性”,弱相互作用是“SU(2)规范不变性”,强相互作用则是“SU(3)规范不变性”。很明显,这是四种截然不同的相互作用!换言之,前面说的什么耦合常数、什么作用距离都不是四种相互作用的本质区别。由于规范不变性过于专业,需要对李群论和纤维丛理论有深刻认识才能清楚理解其物理与数学含义。

最后就是,产生机制和作用对象。这是很重要的区别。电磁相互作用的作用对象是电荷,强相互作用的作用对象是色荷,弱相互作用作用对象是夸克味道,引力作用对象是质量——引力荷。


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